土力学室内试验

1、第三讲第三讲 土工试验与测试土工试验与测试 3.1 室内试验 3.2 模型试验 3.3 原位测试与现场观测 土力学中试验与测试的作用 1.揭示土一般的力学性质和规律理论的建立 了解特定特定的土物理力学性质 2.设计参数与理论模型的参数确定 3.验证理论与数值计算 4.模型试验、足尺试验用以解决实际工程问题： 设计与方案比较与确定 5.原位测试、现场监测为数值计算的反分析、 安全性评价和信息化施工服务 3.1 室内试验 3.1.1 强度测定仪器 直剪仪（direct shear apparatus） 单剪仪（direct simple shear apparatus） 环剪仪 （torsiona

2、l (ring) shear apparatus） 1. 直剪仪（direct shear apparatus） 1) 古老：1776年 Coulomb 2) 直观、简便、经济 3) 应力应变条件复杂、不均匀 4) 排水条件不明确 Coulomb 图12 直剪仪仪器简图 初始状态 图13直剪试验中剪切面处土的应力状态变化 0 f 1v 破坏状态 f1 f3 k0v 2. .单剪仪（direct simple shear apparatus） 1)应力状态均匀 2)断面积不变 3)循环加载与动力试 验 4)破坏面位置不确定 单剪仪 单剪试验的应力状 态：水平面不一定 是破坏面 初始状态 破坏状态

3、 1f 3f vv h,h 单剪试验 3. . 环剪仪（torsional (ring) shear apparatus） 1) 剪切面面积不变 2) 便于用同一试样连续做几个正压力试验 测定残余强度 环剪试验 1.1.2 变形参数测定试验侧限压缩 仪 （oedometer consolidation test apparatus） 1.侧限应力状态（hK0v) 2.压缩与固结试验 3.试验结果：e-p曲线与e-lgp曲线： （侧限）压缩模量：Es 压缩系数：a 体积压缩系数：mv 压缩（回弹）指数Cc、 Ce 侧限压缩试验 1.1.3 三轴仪与试验 (1) 1930 A. Casagrand

4、e 提出圆柱试 样 (2) 1933 Seffert 用三轴仪研究固结 (3) 1934 Rendulic 利用测定土的强度 参数 (4) 1959 黄文熙，汪闻韶 研制动三轴试 验 (5) 三轴仪的发展：动三轴、大尺寸三轴仪、 高压三轴、非饱和土三轴仪、应力与应变 路径控制三轴仪 (6) 变形与强度试验 (7) 应力状态明确，简单；排水条件明确 三轴仪简图 常规三轴压缩试验的应力状态简图 两个参数p, q 31 2 13 2 32 2 21 31321 )()()( 2 1 3 2 3 q p 这两个参数对于三轴应力状态使用比较简便 也常用另外两个常用参数也常用另外两个常用参数 （不计中主应

5、力）（不计中主应力） 2 31 2 31 q p TC TE HC 0 RTE RTC PL CTC 3 1 CTE 3 2 利用三轴仪进行不同应力路径的试验 1. . 三轴仪的不同应力路径试验 HC：静水压力（各向等压）试验23 PL：比例加载试验： / 3为常数 CTC：常规三种压缩试验 ：3为常数（围压） CTE：常规三轴伸长（挤长）试验： 3（轴应力） 为常数 TC： p为常数三轴压缩试验（轴应力增围压减） TE： p为常数三轴伸长试验（轴应力减围压增） RTC：减压三轴压缩试验： （轴应力）为常数 RTE：减压三轴伸长试验：1 （围压）为常数 HC: hydrostatic comp

6、ression CTC: conventional triaxial compression CTE: conventional triaxial extension RTC: reduced triaxial compression RTE: reduced triaxial extension TC: triaxial compression TE: triaxial extension 试验 HC CTC CTE TC TE RTC RTE PL 名称 静水 压缩 常规三 轴压缩 常规 三轴 伸长 三轴压缩 三轴 伸长 减压三 轴压缩 减压 三轴 伸长 三轴等比 实验 主要 应力 特点

7、三个 主应 力相 等 围压不 变 轴向 应力 不变 平均主应 力不变 平均 主应 力不 变 轴向应 力不变 围压 不变 常应力比 13 k 1 c a c a c a c a 2 c c c c a c c 1c k 3 c c a c a c a 1c k 1 0 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 0 1 2 0 0 0 1 k 3 0 0 0 1 2 1 2 0 0 1 k p 0 0 0 0 0 0 0 0 ( )b / 0( 30 ) 1(30 ) 0( 30 ) 1(30 ) 0( 30 ) 1(30 ) 0( 30 ) q p TC TE HC 0 RTE RTC PL CT

8、C 3 1 CTE 3 2 3 -2 图111 三种应力路径的斜率 2. 三轴试验的一些问题 1）边界条件影响： 上下的边界的摩擦 增加了局部的围压 使应力、变形不均匀 改变了破坏状态鼓胀与剪切面 形成 三轴试验中的剪切破坏情况 (1)饱和土：量水管 (2)非饱和土：压力室的体积变化（双筒） (3)其它的量测方法 (1)排水条件：使量测的体变偏大 (2)不排水条件：使量测正孔压变小 使负孔压绝对值变小 刚性边界下受力变形示意图 图114 膜嵌入示意图： 排水情况：使量测的体变增加 固结不排水试验： 固结：膜嵌入，前进 剪缩：正孔压使有效围压减少，膜将后退（剪胀时 相反） （1）固结施加 膜嵌入

9、 （2）产生正孔压u：膜回弹，使骨架中部分水排 出 （3）孔压减小 （4）剪胀产生负孔压情况相反 图115 正孔压时膜嵌入使量测孔压偏小 V D d d 膜嵌入的率定方法之一：在 试样中间放置一个不同直径 的刚性棒 d=D 膜嵌入量 刚 性 棒 在某一围压 3下的试验 图116 膜嵌入的一种率 定方法 3. 几种特殊的三轴试验 围压力 Kc=静应力比 d：动应力 t d 0 d 图117 动荷载 图118 动三轴试验的实测曲线 动应力d 动应变d 振动孔隙水压力ud 图119 砂土的动强度曲线 Dr=0.57 kPa d /(3) 10 10 0 （lg)Nf 0.2 0.4 0.6 0 Kc

10、=3 Kc=2 Kc=1 Kc=1/3 d ucr 静应力状态 总应力圆 破坏时有效应力圆 动加载过程 随着循环加载过程，孔压逐 渐增加，莫尔圆左移最后与 静强度包线相切图120 循环加载下的莫尔园 （1）堆石坝材料 （2）路渣与垫层 （3）建筑垃圾与生活垃圾 （4）矿渣与矿山材料 试样直径： 150mm,300mm,500mm,700mm, 1000mm. 材料的尺寸模拟的级配曲线：原型料，相似 法，剔除法，替代法，综合法 dmaxD/5 100 605 0.1 d 200 原型料 相似法 替代法 剔除法 图121 不同方法材料尺寸模拟 的级配曲线 相似法: 所有粒径除以200/60=3.3

11、3 剔除法: 剔除所有大于60mm的粒径 替代法: 将2005mm的粒径用 605mm粒径代替 综合法：几种方法的综合 制样方法、试样密度及对于强度、应力应变关 系和其它性质的影响，尚有待于进一步研究 （1）一般的三轴试验围压达到600kPa 1MPa 高压三轴围压可达到10MPa以上 （2）模拟高坝深覆盖层等情况 （3）在高压下，土的应力变形强度有很 大不同 （1）轴应变量侧精度达0.00005 （2）压力室内量测局部变形 （3）与一般三轴试验比较，应力应变关系有 很大区别 （4）用于硬土、软岩与原状土试验 图122 量测微小应变 （0.005%）的三轴试验 LDT:局 部变形测量 不同量测

12、方法的应力应变关系不同量测方法的应力应变关系 图123 用LDT内部量测应变与外部量测的不同 图124 非饱和土三轴试验仪 1.1.4 真三轴试验 1. 2. 研究中主应力对于强度的影响 3. 探讨土的复杂应力路径上的应力应变关系 4. 本构关系的验证 图125 改制的真三轴仪在压力室中加一对侧压力板 图126 Lade-Duncan的改制真三轴仪 图127 剑桥式盒式真 三轴仪 二者区别： x, y ,z 三个方向是否独立施加 大、中、小主应力？ z x y xyz xy 2 3 tg ）（ z y 自由面x一般只为小 主应力； 板方向y不 能单独为小主应力： 0120（无张拉时） 盒式真三

13、轴仪没有这 一限制 x 图128 盒式与改制的真三轴仪真三轴仪间的区别 v 0.8 420 图129 在平面上沿圆周循环360以上的 真三轴试验 应力路径 两种砂试验的应变路径 1.1.5 主应力方向旋转试验空心圆 柱扭剪仪与方向剪切仪 1. 一般的应力应变关系：nmf(ij) 2. 变化六个应力变量（ x, y, z, xy,zy, zx) 3. 或者变化三个主应力三个方向角 4. 目前还没有这样的仪器 图130 空心圆柱扭剪试验仪 z po pi 可变化z r z 图131 空心圆柱扭 剪仪试验的应力状态 Ri R0 z r z n 1 图132 主应力方向的旋转 22 00 2222 0

14、0 00 0 00 0 33 0 () 3 2 () ii z ii ii i ii r i T z i Wp Rp R RRRR p Rp R RR p Rp R RR M RR 空心圆柱扭剪仪中的应力计算 图133 方向剪切仪 1.1.6 共振柱试验仪 1. 激振（轴向，剪切）共振测定弹性模量， 剪切模量，阻尼比； 2. 圆柱形、空心圆柱形； 3. 一端固定，一端自由；一端固定，另一端弹簧 或者阻尼器； 4. 试样在压力室，各向等压；不等压。 图134 共振柱试验仪器示意图 非饱和土吸力测试 张力计法：90kPa，可用于野外。 滤纸法：滤纸与土含水量平衡，从滤纸S-w关 系 确定吸力。 湿

15、度计法：热电耦湿度计测土孔隙相对湿度uv： 由公式计算uv-S关系。 轴平移法：高进气值陶瓷板。在饱和以后，由 于 收缩膜作用，空气不能进入通过陶 瓷 板。 图135 图136 试验装置总布置图 2. .单剪仪（direct simple shear apparatus） 1)应力状态均匀 2)断面积不变 3)循环加载与动力试 验 4)破坏面位置不确定 单剪仪 1.1.2 变形参数测定试验侧限压缩 仪 （oedometer consolidation test apparatus） 1.侧限应力状态（hK0v) 2.压缩与固结试验 3.试验结果：e-p曲线与e-lgp曲线： （侧限）压缩模量：Es 压缩系数：a 体积压缩系数：mv 压缩（回弹）指数Cc、 Ce (1)饱和土：量水管 (2)非饱和土：压力室的